计算机信息安全专题--第三讲 数字水印及信息隐藏

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1、作业l密码学与隐藏学的 区别和联系?l什么是数字水印? 它有那些基本特点?l数字水印的两个主 要应用是什么?在这两个应用 中使用的水印有什么不同?1信息隐藏及数字水印信息安全讲座广东商学院信息学院胡玉平 教授 博士22007年10月12日，陕西林业厅公布了猎人周正龙用数码相机拍 摄的华南虎照片。随后，照片真实性受到来自部分网友、华南虎专 家和中科院专家等方面质疑，并引发全国性关注 目前全球野生华南虎只有20 余只，人工饲养的50余只， 分别饲养在我国苏州、上海 等地的动物园。自1964年陕 西佛坪山民猎杀过一只华南 虎以来，陕西省已经40多年 没有出现过华南虎的身影了 ，1983年在湖北一个林

2、场发 现的1只幼虎，是我国最后一 次发现野生华南虎实体，距 离现在也已经24年 .问题一：如何检测数字产品的真实性3卡通画制作软件:photoshop、cartoon marker问题二：原创作者如何标识数字产品的版权4主要内容l密码学的问题l信息隐藏技术l数字水印5密码学的问题 l加密方法保护下的数 字媒体一般不具有可识别和理解 性，因此，不利于媒体的的直接 传播和使用l加密方法有一个致命 的缺点，那就是它明确地提示攻 击者哪些是重要信息，容易引起 攻击者的好奇和注意，并有被破 解的可能性l一旦加密文件经过破 解后其内容就完全透明，其保护 作用也随之消失6信息隐藏l信息隐藏及其与密码 学的联

3、系l信息隐藏机理l信息隐藏技术的内容7一、信息隐藏及其与密码学的联系l信息隐藏（伪装）就是 将有意义的秘密信息隐藏于另一非 机密的载体内容之中。所用载体形 式可为任何一种数字媒体，如图象 、声音、 视频或一般的文档等等l密码仅仅隐藏了信息的 内容，而信息伪装不但隐藏了信息 的内容而且隐藏了信息的存在l传统的以密码学为核心 技术的信息安全和 伪装式信息安全 技术不是互相矛盾、互相竞争的技 术，而是互补的 . 8二、可能吗？（机理）l多媒体信息存在很大 的冗余性,从信息的角度来看,未 压缩的多媒体信息的编码效率是 很低的,所以将某些信息嵌入到 多媒体信息进行秘密传送是完全 可行的,并不会影响多媒体

4、本身 的传送和使用l人眼或人耳对某些信 息有一定的掩蔽效应,比如人眼 对灰度的分辨率只有几十个灰度 级;对边缘附近的信息不敏感.利 用人的这些特点,可以很好地将 信息隐藏而不被察觉9三、信息隐藏技术的内容 10两个重要分支l共同点:将重要的、秘密的 信息嵌入到不受怀疑、公开的数据中。l隐写术（ Steganography）通常用于秘密通信 过程中;秘密的信息可以是任何信息;一 般情况下，隐写术不要求算法具有鲁棒 性，也就是当公开数据被破坏或失真之 后，隐藏的信息将无法提取出来;它着重 于最大限度地隐藏和传送信息 . l数字水印 (Watermark)主要用于版权保 护和认证;它隐藏的信息与被保

5、护的对象 及或它的所有者有关;它着重于鲁棒性的 要求，即攻击者即使知道隐藏信息的存 在，仍然不能够、删除水印;11数字水印l数字水印技术发展的动 力l数字水印定义l数字水印的研究状况l数字水印的通用模型l数字水印的基本特征l数字水印的分类l典型数字水印算法l数字水印应用l数字水印攻击12一、数字水印技术发展的动力数字产品知识产权保 护问题20世纪90年代以来 ，计算机网络和多媒体技术在全世界 范围内得到了迅猛的发展，数字多媒 体产品得到了日益普及和广泛应用。l数字产品易于编辑、复 制、传输，促进了人类信息的共享, 推动了社会的进步。l同时，对数字产品(数字 声音，文本，图象和视频)的原版进 行

6、无限制的任意编辑，修改，拷贝和 散布，造成数字产品的知识产权保护 和信息安全的问题日益突出。13二、数字水印定义l普通水印是一种几乎不可 见的印记，必须放置于特定环境下才 能被看到，不影响物品的使用；普通 水印的制作和复制比较复杂，需要特 殊的工艺和材料.普通水印常应用于诸 如货币、支票、证书、护照、发票等 重要印刷品中，它主要用于鉴定物品 的真伪. l数字水印将与多媒体内 容相关一些标示信息直接嵌入多媒体 内容当中，但不影响原内容的使用价 值，并不容易被人的知觉系统觉察或 注意到。通过这些隐藏在多媒体内容 中的信息，可以达到确认内容创建者 、购买者，或者是否真实完整。 14三、数字水印的研究

7、状况l1994年Schyndel和 Tirkel等在IEEE国际图像处理大会上 发表了题为 “a digital watermark”的 论文，这标志着数字水印概念的诞生 。l1996年5月30日至6月1 日，在英国剑桥牛顿研究所召开了第 一届国际信息隐藏学术会议，此次会 议把数字水印作为它的一个主要议题 l1998、1999、2001、 2002、2004，2006，2007又分别召 开了七界国际信息隐藏研讨会议。l根据IEE/IEEE Electronic library全文数据库检索的 情况，从2001到2007年有关数字水 印文献的数量分别为：222，302， 365，438，512，

8、596。15数字水印的研究状况l我国数字水印的研究起步 于1998年，在何德全、周仲义、蔡吉 人三位院士的倡导下，分别于1999、 2000、2001、2002、2004，2006年 召开了六届国内信息隐藏学术研讨会 。l第七届国内信息隐藏会议 （CIHW2007）于2007年11月在南京 举办。l根据中国期刊网数据库检 索的情况，从1999年到2007年文献的 数量分别为：16、42、109、187、 298、372，624，682篇。16数字水印的研究状况l国家自然科学基金立项 统计1999年2项，2001年 3项，2002年3项2003年2项，2004年 6项，2005年4项2006年2

9、项，2007年 11项l同内有一些公司开始致 力于数字水印软件的开发和推广，如 ：上海阿须数码有限公司 （http:/）成都宇飞信息工程有限 公司（ http:/）17四、数字水印的通用模型数字水印技术包括嵌入和检测、提取两个过程。 嵌入阶段的设计主要解决两个问题：一是数字水印的生成，可以是一串伪随机数，也可以是与作者有关的字符串、图标等信息经过加密产生；二是嵌入算法，嵌入方案的目标是使数字水印在不可见性和鲁棒性之间找到一个较好的折中 检测阶段主要是设计一个相应于嵌入过程的检测算法。检测的结果或是原水印（如字符串或图标等），或是基于统计原理的检验结果以判断水印存在与否。检测方案的目标是使错判与

10、漏判的概率尽量小。18一l 水印的嵌入:使用嵌入算法E把水印信号W嵌入到原始产品I中 水印的嵌入一 一19l水印的检测 :在水印载体 中精确提取水印或通过相关检测判断 其是否包含某一水印水印的检测20举例：l假设有一幅数字摄影图 像，为了标识作者对该作品创作的所 有权，可以采用在原图上加入可见标 记的方法，但这样可能伤害图像的完 整性，因此可以利用数字水印嵌入技 术，将作者标识作为一种不可见数据 （数字水印）隐藏于原始图像中，达 到既注明了所有权又不伤害图像的主 观质量和完整性的目的。含水印图像 能保持原图的图像格式等信息，并不 影响正常信息的复制和处理，从主观 质量而言，两幅图像差别微乎其微

11、， 无法用肉眼察觉。只有通过特定的解 码器才能从中提取隐藏信息。 21举例：l数字水印的另外一个用 途是鉴别资料的真伪。现在，数字相 机、数字录像机拍摄出来的影像尚无 法作为法庭证据，因为它很容易被篡 改。如果在一幅证据照片中嵌入水印 ，那么对照片所进行的任何修改都会 破坏水印，用专门的检测软件就能探 测出照片的什么地方被改动过了。l数字水印技术并不能直 接阻止拷贝行为，而是通过验证产品 的所有权来揭露非法拷贝、传播行为 ，以法律的手段对其进行制裁，间接 地打消盗版者非法复制的企图，起到 保护知识产权的作用 22五、数字水印的基本特征l数字水印有四个基本特征:不可感知,鲁棒性、安全性、水印容量

12、、可证明性。l不可感知性 指数字水印的嵌入不应引起数字作品的视觉/听觉质量下降。l鲁棒性 即当被保护的信息经过某种改动后，比如在传输、JPEG压缩、滤波，图像的几何变换如平移、伸缩、旋转、剪裁等处理下，数字水印不被破坏。23数字水印的基本特征l安全性 数字水印的安全性与密码系统的安全性非常类似，即水印嵌入的算法是公开的，安全性建立在密钥管理基础上，只有拥有密钥才能提取水印。l水印容量：嵌入的水印信息必须足以表示多媒体内容的创建者或所有者的标志信息，或购买者的序列号，这样有利于解决版权纠纷，保护数字产权合法拥有者的利益。尤其是隐蔽通信领域的特殊性，对水印的容量需求很大l 可证明性:数字水印算法能

13、够正确认别出被嵌入到保护对象中的有关信息，例如经过注册的用户编码、产品的标识或者其他任何有意义的文字等，并且在需要时将其提取出来作为证据。24六 数字水印的分类l从水印的嵌入策略上分 类 空间域水印 :直接 在信号采样值上叠加水印信息 1最低有效位方法 (LSB法) ;2. Patchwork方法 及纹理块映射编码方法 ;3. 文档结构微调方 法 。 变换域水印 :在信息 变换后的系数上叠加水印信息 DCT变换变换 ， Wavelet变换，Fourier变换，分形或其它 变换域等等。 25l从水印的检测方法上分类非盲水印（私有水 印）在检测过程中需要原 始数据和原始水印的参与。 半盲水印（半私

14、有 水印）在检测过程中,需要 原始水印来进行检测、且仅仅给出是否包含 水印的二值判断系统，这种系统所嵌入的信 息量仅为1比特。 盲水印（公开水印 ）在检测过程中,既 不需要原始数据，也不需要原始水印、且能 输出水印是什么的系统。l 一般说来，非盲水印的鲁棒 性比较强，但其应用受到存储成本和通信的限 制。目前学术界研究的数字水印大多数是半盲 水印或者盲水印。26l按使用的目的分类鲁棒（稳健 ）水印 Robust watermark在作品遭到一定程度的 破坏,水印能检够测出来 易损（脆弱）水印 Fragile watermark能够检测出作品的任何 篡改，如果作品被篡改，则水印检测不出来 半易损水

15、印半易损水印能容忍一 定的信号失真，只有当作品的内容被篡改时,水 印才检测不出来，它比易损水印有更好的应用 前景。鲁棒水印主要用于版 权保护,易损水印和半易损水印主要用于认证l按水印所附载的媒体划分 :静止图象水印 ； 视频水印 ；声音水印 ； 文档水印 ；27六 典型数字水印算法l空域算法典型空域方法有最低 有效位方法LSB（Least Significant Bits）、 Patchwork法和文档结构微 调方法。LSB方法是将水印 直接嵌入到原始信号表示数据的最不 重要的位置（最低有效位）中，这可 保证嵌入的水印是不可见的。该算法 的鲁棒性差，水印信息很容易被滤波 、图像量化、几何变形的

16、操作破坏。28典型数字水印算法Patchwork方法是一种基于统计的数据水印嵌入方案，其过程是用密钥和伪随机数发生器来选择N对像素点（ai，bi），然后将每个ai点的亮度值加，每个bi点的亮度值减，这样使得整个图像的平均亮度保持不变，而这里的值就是在图像中嵌入的水印信息。文档结构微调方法是在通用文档中隐藏特定二进制信息的技术。如轻微改变文档的字符或图像行距，水平间距，或改变文字特性等来完成水印嵌入。29典型数字水印算法空域数字水 印技术的优点是算法简单、 速度快、容易实现，几乎可 以无损的恢复载体图像和水 印信息。其缺点是太脆弱， 常用的信号处理过程，如信 号的缩放、剪切等，都可以 破坏水印。 30典型数字水印算法l变换域算法该类算法的基本思想是先对图像或声音信号等信息进行某种变换（如正交变换），在变换域上内嵌入水印，然后经过反变换而成为含水印的输出。在检测水印时，也要首先对信号作相应的数学变换，然后通过相关运算